一種用于窄間隙焊接的半導體激光光源的制作方法

本實用新型屬于激光加工技術領域，涉及一種半導體激光光源，尤其是一種用于窄間隙焊接的半導體激光光源。

背景技術：

隨著工業科技的飛速發展，厚板焊接在重型機械，船舶，能源，鐵路等領域應用越來越廣泛。厚板焊接的板厚范圍很大，從20mm至250mm都有諸多的應用，目前對厚板焊接的焊接質量和焊接效率的要求越來越高。窄間隙焊接以其坡口窄、焊材消耗量少、焊接效率高、變形和殘余應力低、接頭具有較高的強度和沖擊性能的優勢，已經成為現代工業生產中厚板結構焊接的首選技術，其技術和經濟優勢決定了它是今后厚板焊接技術發展的主要方向之一。

窄間隙激光焊接以其熱輸入小、焊接變形小等優勢，在窄間隙焊接領域逐步受到重視。但是激光焊接的熔寬有限，當間隙寬度較大時，會出現側壁未融合缺陷，限制的激光焊接的焊接厚度。

針對上述問題，中國專利CN102059452B提出了三光束激光窄間隙焊接方法，美國專利US5155323提出了雙光束激光焊接方法，均可降低側壁的焊接缺陷。然而這些方法均采用界面為圓形和橢圓形的激光光束完成聚焦后應用于窄間隙焊接，光束呈三維錐體形狀。一方面，由于窄間隙焊接的深寬比很大，如果焊接很深很窄的焊縫，對應激光的瑞利長度要很大，這樣激光光束的出口直徑就會很小，出口鏡片的功率密度增大，并且出口距離焊縫的距離也相應增大，對應的激光器光束質量要求極高，最終設備的成本較高；另一方面目前普遍使用固體激光器、CO₂激光器以及光纖激光器作為激光光源，這些光源的焊接效率有待提高，并且成本較高。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本實用新型提出了一種用于窄間隙焊接的半導體激光光源，可以提供一種近似刀片狀的激光光束，在快軸方向上可接近光束質量的極限，非常適合應用于窄間隙焊接。

一種用于窄間隙焊接的半導體激光光源，包括半導體激光器，準直鏡組；所述半導體激光器用于發射激光光束；所述準直鏡組，設置于半導體激光器的出光方向，用于壓縮出射激光的發散角，使得上述激光的快軸發散角<5度，且慢軸發散角在5~60度之間，使得激光光束呈片狀且完整進入待焊接的窄間隙區域中。

所述半導體激光器為單巴半導體激光器，或者多個單巴半導體激光器沿其快軸方向堆疊而成，用于發出多條相互平行的激光光束。

上述方案可以進一步優化：所述用于窄間隙焊接的半導體激光光源還包括合束鏡組，為與單巴半導體激光器個數相等的光學裝置，設置于半導體激光器的出光方向上，用于將多個單巴半導體激光器準直后的多束激光光束合束為一束激光。

所述光學裝置為全反射鏡、半透半反透鏡以及偏振片中一種或者多種的組合。

所述光學裝置與驅動部件連接，使得光學裝置在激光的出射方向產生同向或者反向的位移。

所述驅動部件為電機，或者手動驅動裝置。

所述準直鏡組包括快軸準直鏡和/或慢軸準直鏡。

所述用于窄間隙焊接的半導體激光光源還包括會聚裝置，用于將準直后的激光光束進行二次會聚，使得片狀光束會聚為能量密度高的光斑。會聚裝置具體為聚焦透鏡，比如凸透鏡。

本實用新型具有以下優勢：

1）半導體激光器快慢軸的光束質量不等，慢軸發散角大，但是在快軸方向上可接近光束質量的極限，最終的工作光斑近似矩形，在快軸方向上呈現類高斯的分布，在慢軸方向上呈現類平頂的分布，與其他激光器相比，在窄間隙焊接中具有更高的焊接效率和焊接效果，此外，本實用新型所采用的光學整形方案相比現有方案，具有更低的成本，在實際應用中有更高的推廣價值。

2）本實用新型中的合束鏡組的位置可以發生平動，從而改變輸出光束的寬度與能量分布，可以實現激光頭不動的擺動焊接，同時可以實現側壁焊接的高能量分布需求，具有更高的可靠性和應用范圍。

附圖說明

圖1-1為本實用新型半導體激光光源一個實施例的快軸光路原理圖。

圖1-2 為本實用新型半導體激光光源一個實施例的慢軸光路原理圖。

圖2 為多個半導體激光器聯合使用的實施例的示意圖。

圖3為合束鏡組中的光學裝置的位移實施例一。

圖4為合束鏡組中的光學裝置的位移實施例二。

附圖標號說明：1-半導體激光器，2-快軸準直鏡，3-慢軸準直鏡，4-合束鏡組，5-會聚裝置，6-能量分布圖，7-厚板工件。

具體實施方式

本實用新型提供了一種用于窄間隙焊接的半導體激光光源，包括半導體激光器和準直鏡組。圖1-1和圖1-2為基于本實用新型的實施例，其半導體激光器1為多個單巴半導體激光器沿其快軸方向堆疊而成的半導體激光器疊陣，準直鏡組包括快軸準直鏡2和慢軸準直鏡3，準直后的激光光束快軸方向的發散角度<5度，同時慢軸方向的發散角在5~60度之間，并通過合束鏡組4合束使得激光光束近似為刀片狀。光束可直插入窄間隙底部并聚焦形成類矩形光斑，以較高的效率及焊接質量完成窄間隙焊接。

圖1-1為上述半導體激光光源在快軸方向的光路，半導體激光器1發出的多束平行激光光束經快軸準直鏡2、慢軸準直鏡3準直后，由合束鏡組4合束為1束激光光束。合束鏡組包括與單巴半導體激光器個數相等的光學裝置，設置于半導體激光器的出光方向上，最終得到的激光在快軸上的能量分布為高斯分布。

在實際工程應用中，合束一般采用多波長耦合、偏振耦合的合束方式；對應的光學裝置為全反射鏡、偏振裝置、半透半反透鏡等。圖1-1中，光學裝置分別設置于對應的單巴半導體激光器的出光方向上，且與激光光束呈45度，通過透射、反射結合的方式將多個單巴半導體激光器的激光光束合為1束。一般來說，光學裝置a為全反射鏡，光學裝置b為半透半反透鏡或者對波長選擇透過的透鏡。

圖1-2上述半導體激光光源在慢軸方向的光路，慢軸光路中由于準直鏡組和合束鏡組不易用二維視圖表達，故省略了該結構。激光光束在慢軸方向最終得到的光斑能量分布為平頂分布。

為了提高輸出功率，本實用新型可以進一步優化為采用多個半導體激光器的聯合使用。圖2為3組半導體激光器的聯合使用的實施例，3組半導體激光器沿其慢軸方向依次排列，以獲得在慢軸方向較大寬度的刀片狀光束，該光束可以完整的進入窄間隙焊縫內。此外，本實施例增加會聚裝置5，將3組半導體激光器的激光光束最終會聚為高功率密度的點光斑，提高了焊接效率。

為了進一步優化窄間隙焊接側壁未熔合的缺陷，本實用新型提出沿激光出光方向平移合束鏡組的方法，可以控制窄間隙側壁的能量分布，從而確保焊接質量。

圖3為合束鏡組中的光學裝置的位移實施例一，沿激光的出光方向，部分平移合束鏡組中的光學裝置（圖3中的雙箭頭為光學裝置可移動的方向），可以增大熔池尺寸。比如將光學裝置c沿激光出射方向移動，同時將光學裝置d向光學裝置c位移方向的反向進行移動。

圖4為合束鏡組中的光學裝置的位移實施例二，沿激光的出光方向，將合束鏡組作為一個整體進行平移，可根據焊縫寬度進行調節，圖4中標示了三個合束鏡組4的平移參考位置，合束鏡組4可以按照雙箭頭標示方向移動至圖4的虛線位置，實現激光頭不動的擺動焊接，同時可以實現側壁焊接的高能量分布需求。

上述合束鏡組的光學裝置與外接驅動裝置連接，以實現平移運動，外接驅動裝置可以為電機，也可以手動驅動。